3 bước để cải thiện các mô hình phân tích phần tử hữu hạn

  • 2021-06-02 ---

  • Phát triển một mô hình phân tích phần tử hữu hạn (FEA) thành công và hiệu quả có thể là một trải nghiệm khó khăn đối với các kỹ sư thiết kế. Mô hình cần đơn giản và dễ tái tạo trong khi vẫn đủ phức tạp để cung cấp kết quả thử nghiệm hợp lý.

    Điều này tạo ra một vấn đề là các mô hình thường quá đơn giản và gần đúng để cung cấp phân tích chính xác hoặc mô hình quá phức tạp để có thể dễ dàng xử lý. Các loại mô hình khác nhau cũng cần tạo các kiểu lưới khác nhau.

    Cuối cùng, các tải trọng cần được áp dụng chính xác để đạt được kết quả chính xác. Chúng ta sẽ thảo luận về từng thách thức này và giải pháp của chúng.

    Cách cải thiện mô hình FEA: Đơn giản hóa mô hình

    Một bước quan trọng trong việc cải tiến mô hình FEA là đơn giản hóa mô hình. Tuy nhiên, mô hình phải được đơn giản hóa theo đúng cách để đạt được các phân tích chính xác.

    Một ví dụ về mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn trong Ansys Sherlock

    Một ví dụ về mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn trong Ansys Sherlock.

    Tạo mô hình hình học là một trong những khía cạnh khó nhất của FEA. Một sai lầm phổ biến ở những người mới bắt đầu sử dụng FEA là giả định rằng một mô hình CAD (Computer-Aided Design) được tạo ra như một phần của quy trình thiết kế sản phẩm có thể được dùng trực tiếp vào một nghiên cứu FEA.

    Các mô hình CAD của nhà thiết kế thường rất cụ thể, sẽ mất hàng giờ hoặc hàng ngày xử lý để đưa vào phân tích mô phỏng.

    Tuy nhiên, phần lớn chi tiết này thường không cần thiết trong FEA. Tệ hơn nữa, việc đưa các chi tiết không cần thiết vào mô hình FEA có thể dẫn đến chất lượng lưới kém, thời gian chạy mô phỏng không hiệu quả và kết quả không chính xác.

    Đối với một nhà phân tích, hiểu khi nào và làm thế nào để đơn giản hóa một mô hình đã được nhà thiết kế chuyển cho họ là kỹ năng quan trọng để mô phỏng FEA hiệu quả.

    Tối ưu hóa phân tích phần tử hữu hạn: Loại bỏ các nét không cần thiết của vật thể

    Có lẽ các chi tiết phổ biến nhất có thể được loại bỏ ngay lập tức khỏi hầu hết các mô hình CAD là các đường viền (fillet) và các đường bo tròn (round). Thật vậy, các cạnh vuông hiếm khi tồn tại trong thế giới thực. Các cạnh thường được bo tròn và các mô hình CAD thường sẽ bao gồm đường bo tròn này trên nhiều nếu không muốn nói là tất cả các vật thể hình học.

    Tuy nhiên, các cạnh vuông dễ chia lưới hơn nhiều trong thế giới FEA, và hầu hết các đường viền/đường bo tròn nhỏ sẽ không ảnh hưởng đến các tính toán chuyển vị tổng thể. Các công cụ CAD thường sẽ có một tính năng để hỗ trợ việc loại bỏ các đường viền/đường bo tròn, như lệnh điền đầy (Fill command) trong Ansys SpaceClaim.

    Việc sử dụng các tính năng này một cách thích hợp có thể nhanh chóng làm giảm độ phức tạp của mô hình mà tốn ít công sức của người dùng.

    Loại bỏ dần đường bo tròn trong Ansys SpaceClaim

    Loại bỏ dần đường bo tròn trong Ansys SpaceClaim

    Kết hợp các ràng buộc và hình học hiệu quả

    Một cách đơn giản hóa phổ biến khác là loại bỏ các phần không quan trọng hoặc thay thế chúng bằng các hình học hoặc ràng buộc hiệu quả. Ví dụ, hầu hết các cụm cơ khí bao gồm các chốt, như bu lông và đinh tán.

    Đôi khi, có thể cần đưa hình học của bu lông vào mô hình; tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, hình học bu lông có thể được thay thế bằng hình học 3D được đơn giản hóa rất nhiều, phần tử dầm 1D (1D beam element) hoặc thậm chí bị loại bỏ hoàn toàn và được coi gần đúng với các ràng buộc tiếp xúc cứng tuyệt đối hoặc các điều kiện biên cố định.

    Các kết quả va đập cơ học cho thấy kết quả tổng thể và kết quả cục bộ không có sự thay đổi đáng kể khi bao gồm các thành phần linh kiện nhỏ (bên trái) so với khi chúng được loại bỏ (bên phải).

    Các kết quả va đập cơ học cho thấy kết quả tổng thể và kết quả cục bộ không có sự thay đổi đáng kể khi bao gồm các thành phần linh kiện nhỏ (bên trái) so với khi chúng được loại bỏ (bên phải).

    Ví dụ: nếu va đập cơ học đang được mô phỏng trên cụm bảng mạch in sẵn (PCBA) 12x12 inch vuông, thì các thành phần rất nhỏ như điện trở 0201 sẽ không ảnh hưởng đến độ cứng tổng thể của mô hình và có thể được loại bỏ hoàn toàn. Các thành phần lớn hơn như SOIC 16 PIN có thể cần được mô hình hóa, nhưng vật hàn có thể được thay thế và được coi là gần đúng với phần tiếp xúc cứng giữa dây dẫn và bo mạch.

    Ansys Sherlock là một công cụ có thể hỗ trợ tạo mô hình dễ dàng cho FEA từ thông tin có sẵn ở giai đoạn thiết kế của PCBA bằng cách lấy thông tin ECAD dành cho việc sản xuất PCBA và tự động hóa việc tạo mô hình PCBA đơn giản hóa, chia lưới, sẵn sàng cho FEA.

    Cách cải thiện mô hình FEA: Tạo lưới thích hợp

    Ngoài việc loại bỏ các nét không cần thiết của mô hình, có một số quyết định cần được thực hiện để tạo lưới phù hợp. Thông thường, có ba phạm vi mà Ansys-DfR xem xét khi tạo các lưới chính xác:

    1. Việc chọn phần tử tấm vỏ (shell element) so với việc chọn phần tử khối (solid element)
    2. Việc chọn phần tử lục diện (hex ) so với việc chọn phần tử tứ diện (tet)
    3. Việc chọn kích thước và bậc thích hợp của lưới

    Phần tử tấm vỏ (shell element) so với phần tử khối (solid element)

    Thông thường, mô hình CAD sẽ được cấu tạo hoàn toàn bằng các vật thể ba chiều. Tuy nhiên, trong một mô hình FEA, có thể có lợi khi kết hợp một số vật thể đó với các phần tử tấm vỏ (shell element) hơn là các phần tử khối ba chiều (solid 3D element).

    Các phần tử vỏ là các dạng xấp xỉ 2D của hình học 3D mà có chứa độ dày của vật thể dưới dạng một đặc tính vật lý. Chúng có thể được sử dụng cho các dạng hình học có thành mỏng với chiều dài lớn hơn nhiều so với độ dày của vật thể và khi biến dạng trượt là không đáng kể (ví dụ: tấm khung kim loại hoặc phần thân (thành mỏng) của lon nước ngọt).

    Ngoài ra còn có các phần tử dầm (beam) và tấm vỏ (shell) đặc biệt có thể được sử dụng để mô hình hóa các lớp đồng mỏng bên trong bảng mạch in (PCB). Các tính năng mới trong Ansys Sherlock cho phép tạo ra nhanh chóng các mô hình này. Những phần tử này cho phép người dùng nắm bắt ảnh hưởng của các vết trên bảng biến dạng một cách hiệu quả.

    Các lớp đồng trong PCB được mô hình hóa bằng các phần tử dầm và tấm vỏ

    Các lớp đồng trong PCB được mô hình hóa bằng các phần tử dầm và tấm vỏ

    Hơn nữa, việc kết hợp đúng cách các phần tử tấm vỏ vào các mô hình FEA có thể cải thiện đáng kể cả thời gian chạy mô phỏng và độ chính xác của kết quả. Khi được sử dụng thích hợp, các phần tử tấm vỏ thường có thể tạo ra lưới chất lượng cao hơn trên các kết cấu có thành mỏng (như tấm kim loại) với số phần tử thấp hơn nhiều, dẫn đến kết quả chính xác hơn với chi phí tính toán giảm đáng kể.

    Các công cụ CAD với tính năng “Create Midsurface” như trong Ansys SpaceClaim có thể hỗ trợ tạo ra các hình học để chia lưới với các phần tử tấm vỏ.

    Vật thể khối (trái) được thay thế bằng vật thể bề mặt (tấm mỏng) (phải) bằng việc sử dụng công cụ "midsurface" trong Ansys SpaceClaim.

    Vật thể khối (trái) được thay thế bằng vật thể bề mặt (tấm mỏng) (phải) bằng việc sử dụng công cụ "midsurface" trong Ansys SpaceClaim.

     

    Có vẻ trực quan khi cho rằng chia lưới 3D mang lại nhiều sự chi tiết hơn, cung cấp kết quả chính xác hơn. Nhưng không phải trường hợp nào cũng luôn như vậy. Đặc biệt trong trường hợp uốn cong lớn, các phần tử khối thường tạo ra các cấu trúc cứng giả khi chúng được sử dụng để lưới các hình học có thành mỏng, dẫn đến mô phỏng không chính xác.

    Ngoài ra, có thể rất khó để tinh chỉnh lưới và tạo ra đủ các phần tử theo độ dày của kết cấu có thành mỏng để đạt được kết quả chính xác về chuyển vị và ứng suất.

    Hơn nữa, nếu hình dạng đủ phức tạp, các kết cấu có thành mỏng có thể dẫn đến lưới chất lượng kém khi sử dụng các phần tử khối, tạo ra các phần tử với tỷ lệ các cạnh (aspect ratio) kém, ảnh hưởng không tốt đến kết quả.

    Phần tử lục diện (Hexahedral) so với phần tử tứ diện (Tetrahedral)

    Khi xác định xem nên sử dụng phần tử lục diện (hexahedral) hay phần tử tứ diện (tetrahedral) trong phân tích phần tử hữu hạn (FEA), điều quan trọng cần lưu ý là hình dạng tổng thể và độ phức tạp của chính vật thể đó.

    Nguyên tắc chung là kết hợp các phần tử lục diện nếu có thể. Các phần tử lục diện thường cho kết quả chính xác hơn với số phần tử ít hơn so với các phần tử tứ diện. Tuy nhiên, nếu vật thể chứa các góc nhọn hoặc các dạng hình học phức tạp khác, có thể cần phải chia lưới với các phần tử tứ diện.

     

    Một vật được chia lưới đồng nhất với các phần tử lục diện (trái) và các phần tử tứ diện (phải).

    Một vật được chia lưới đồng nhất với các phần tử lục diện (trái) và các phần tử tứ diện (phải).

    Tốt hơn là đơn giản hóa mô hình đủ để chia lưới hoàn toàn bằng các phần tử lục diện, nhưng điều này không phải lúc nào cũng khả thi. Đối với các dạng hình học phức tạp yêu cầu chia lưới tứ diện, hãy cẩn thận để đảm bảo lưới không tạo ra các kết quả không chính xác. Điều này thường có nghĩa là số phần tử sẽ nhiều hơn, phần tử có bậc cao hơn và thời gian xử lý cũng lâu hơn.

    Vì những lý do này, việc đơn giản hóa bất kì mô hình nào như loại bỏ đường viền hoặc chia nhỏ vật thể cho phép chia lưới lục diện mà không làm thay đổi đáng kể hình dạng đều được khuyến khích.

    Kích thước và bậc của lưới

    Việc hiểu đúng bậc và kích thước lưới là chìa khóa để tìm ra sự cân bằng giữa kết quả chính xác và thời gian chạy hợp lý trong phân tích phần tử hữu hạn.

    Kích thước lưới chỉ đơn giản là độ dài cạnh riêng của một phần tử. Kích thước lưới nhỏ hơn sẽ dẫn đến nhiều phần tử hơn trong mô hình, dẫn đến thời gian chạy lâu hơn và kết quả chính xác hơn. Bậc mô tả hàm hình dạng được sử dụng để tính toán chuyển vị của phần tử.

    Các phần tử bậc nhất chỉ có các nút ở các góc của các phần tử và tính toán hàm chuyển vị tuyến tính giữa các nút. Các phần tử bậc hai bao gồm các nút ở giữa các cạnh và các nút ở góc của phần tử và tính toán hàm chuyển vị bậc hai. Vật thể được chia lưới với các phần tử bậc hai thường có độ chính xác cao hơn, nhưng với chi phí tính toán tăng lên đáng kể.

    Một phần tử bậc hai (trái) và một phần tử tuyến tính (phải). Các nút được đánh dấu màu xanh lá cây. Chú ý các nút ở giữa các cạnh của phần tử bậc hai.

    Một phần tử bậc hai (trái) và một phần tử tuyến tính (phải). Các nút được đánh dấu màu xanh lá cây. Chú ý các nút ở giữa các cạnh của phần tử bậc hai.

    Chìa khóa để tạo ra các lưới hiệu quả trong FEA là đạt được sự cân bằng thích hợp giữa bậc và kích thước cho bài toán cụ thể đang được phân tích. Khi có thể, hãy sử dụng các phần tử bậc hai và tinh chỉnh cho đến khi kết quả hội tụ. Tuy nhiên, đối với các bài toán lớn rất lớn, việc chia lưới như vậy cần mất vài ngày để giải ngay cả với máy tính hiệu năng cao (HPC), điều này có thể không khả thi. Trong những trường hợp này, người phân tích sẽ cần sử dụng kinh nghiệm để đưa ra quyết định phù hợp về kích thước và bậc của lưới.

    Cách cải thiện mô hình FEA: Áp đặt tải phù hợp

    Xác định sự áp đặt tải thích hợp là một bước quan trọng trong FEA. Áp đặt tải là các đầu vào của một bài toán đang được kiểm tra, chẳng hạn như chu kỳ nhiệt, sốc do rơi, rung động hoặc uốn tĩnh. Hiểu được các đặc tính của các tải trọng là điều cần thiết để mô phỏng một bài toán mà vật thể là một đối tượng trong môi trường thế giới thực.

    Một ví dụ phổ biến là xác định xem tải được áp dụng là tĩnh (static) hay tức thời (transient). Ví dụ, nếu một kỹ sư đang mô phỏng sự uốn cong của một kết cấu trong quá trình lắp ráp, thì có thể chấp nhận mô hình với tải trọng dưới dạng chuyển vị tĩnh vì tốc độ biến dạng có thể chậm hơn nhiều và kết quả không phụ thuộc vào thời gian.

    Tuy nhiên, nếu một kỹ sư đang mô hình hóa độ võng do thả rơi một cụm lắp ráp, kỹ sư đó có thể sẽ cần sử dụng một mô hình với tải tức thời (transient) để đạt được các kết quả quán tính liên quan, bởi vì thời gian áp đặt tải là nhanh hơn nhiều và các kết quả phụ thuộc vào thời gian phải đạt được.

    Trong thế giới mô phỏng điện tử, chúng ta thường gặp trường hợp tương tự khi mô phỏng chu trình nhiệt. Ví dụ: khi điều tra sự giãn nở nhiệt ở bảng mạch (thay vì mức độ chi tiết các thành phần), các thuộc tính vật liệu tuyến tính gần đúng thường có thể được sử dụng và các tải tĩnh, thời gian độc lập với sự thay đổi nhiệt độ có thể hợp lý. Điều này có thể chấp nhận được khi chuyển vị của bảng mạch và ứng suất/biến dạng đàn hồi là trọng tâm của phân tích hơn là biến dạng/năng lượng rão (creep).

    Tuy nhiên, khi khảo sát độ mỏi của mối hàn trong bảng mạch, phải bao gồm các đặc tính độ mòn của vật hàn phụ thuộc vào thời gian. Trong trường hợp này, điều quan trọng là phải áp dụng chính xác thời gian biến đổi và thời gian dừng của chu kỳ nhiệt, thay vì chỉ đơn giản là tăng nhiệt độ lên một cách tuyến tính.

    Mô hình rão bao gồm các đặc tính phụ thuộc vào thời gian, do đó, các chu kỳ được mô phỏng phải được mô hình hóa toàn bộ để tính toán chính xác nhất các kết quả biến dạng/năng lượng rão được sử dụng để đưa ra các dự đoán về độ mỏi mối hàn.

    Một vấn đề trong thế giới thực không phải lúc nào cũng giống như trong thế giới FEA mà tùy thuộc vào kết quả phân tích mong muốn. Điều quan trọng là phải luôn ghi nhớ những tác nhân ảnh hưởng trong thế giới thực mà vật thể có thể sẽ phải đối mặt và cách những tác nhân gây ảnh hưởng đó có thể tác động đến thành phần quan tâm. Việc đưa vào đúng các thuộc tính này sẽ cho một phân tích chính xác, hợp lệ và có thể thực hiện được.

    Với quá trình tiền xử lý phù hợp, bạn có thể tăng đáng kể tốc độ của FEA mà không ảnh hưởng đến độ chính xác của nó.


    - Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech .,Jsc" hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này